能量通過一系列的過程，如傳遞、釋放或衰變，在原子或分子系統(tǒng)中流動。你可以想象其中的一些細(xì)節(jié)，比如把一個球(能量)傳遞給另一個球(另一個粒子)。只不過，這其中傳遞的速度比眨眼還要快，以至于關(guān)于交換的細(xì)節(jié)還沒有被很好地理解。如果能創(chuàng)造一個安全的泡沫，讓傳球不受阻礙地進(jìn)行，交換將會快得多。

包括康涅狄格大學(xué)物理學(xué)教授Nora Berrah和博士后研究員、第一作者Aaron LaForge在內(nèi)的科學(xué)家的一項國際合作，使用超快激光器見證了這種氣泡介導(dǎo)的兩個氦原子之間的增強。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論X》（Physical Review X）上。

研究者使用超短脈沖激光，映射超流體氦納米液滴隨時間變化的“原子間庫侖衰變”(Interatomic Coulombic Decay, ICD)，發(fā)現(xiàn)每個激發(fā)原子周圍都形成了局部氣泡，而相鄰氣泡的合并會將激發(fā)原子“推”到一起。這種氣泡介導(dǎo)極大地增強了兩個氦原子之間的“原子間庫侖衰變”。最后，他們發(fā)現(xiàn)原子之間的能量轉(zhuǎn)移或衰變，比先前預(yù)計的快了一個數(shù)量級——僅需400飛秒。

LaForge表示，測量原子之間的能量交換，需要幾乎難以想象的快速測量。需要更短時間尺度的原因是，當(dāng)你觀察微觀系統(tǒng)時，比如原子或分子，它們的運動非?？?，大約在飛秒(10*-15秒)的量級，這是它們移動幾埃所需要的時間?！?/p>

這些測量是用一種所謂的自由電子激光來完成的，在這種激光中，電子被加速到接近光速，然后使用一組磁鐵，迫使電子波動，這導(dǎo)致它們釋放出短波長的光爆發(fā)。“有了超快的激光脈沖，你就可以對一個過程進(jìn)行時間解析，從而弄清楚某些事情發(fā)生的快慢程度?！?/p>

實驗的第一步是啟動這個過程。他們的目標(biāo)是制作一個動態(tài)的分子聯(lián)構(gòu)。在這種情況下，首先開始在一個氦納米液滴中形成兩個氣泡。然后，使用第二個脈沖，確定了它們能夠以多快的速度相互作用。

通過第二個激光脈沖，研究人員測量了氣泡之間的相互作用:“在激發(fā)兩個原子后，兩個氣泡在原子周圍形成。這樣，原子就可以移動并相互作用，而不必推動周圍的原子或分子。”

氦納米液滴被用作一個模型系統(tǒng)，因為氦是元素周期表中最簡單的原子之一，LaForge解釋說這是一個重要的考慮因素。盡管在一個納米液滴中大約有一百萬個氦原子，但其電子結(jié)構(gòu)相對簡單，而且用系統(tǒng)中較少的元素來解釋氦原子間的相互作用也更容易闡明。

隨著氣泡的形成和隨后的動力學(xué)過程，研究人員觀察到了激發(fā)態(tài)原子之間的能量轉(zhuǎn)移或衰變，這比之前預(yù)期的快了一個數(shù)量級——達(dá)到400飛秒。基于此，研究人員們將能夠創(chuàng)造出一種測量飛秒甚至阿秒(10-18秒)時間尺度下的交互作用的方法。

研究人員觀察到的過程稱為“原子間庫侖衰變”(Interatomic Coulombic Decay, ICD)，是原子或分子共享和傳遞能量的重要手段。氣泡增強了這個過程，展示了環(huán)境如何改變過程發(fā)生的速度。

在微觀尺度上理解能量轉(zhuǎn)移的時間尺度，對于許多科學(xué)領(lǐng)域，如物理、化學(xué)和生物學(xué)，是至關(guān)重要的。